Процессы, нити и волокна в ОС Windows
1.Процессы, нити и волокна в ОС Windows
1. Процессы, нити и волокна в ОС Windows
Процессом обычно называют экземпляр выполняемой программы. Хотя на первый взгляд кажется, что программа и процесс понятия практически одинаковые, они фундаментально отличаются друг от друга. Программа представляет собой статический набор команд, а процесс это набор ресурсов и данных, использующихся при выполнении программы. Процесс в Windows состоит из следующих компонентов:
– структура данных, содержащая всю информацию о процессе, в том числе список открытых дескрипторов различных системных ресурсов, уникальный идентификатор процесса, различную статистическую информацию и т.д.;
– адресное пространство – диапазон адресов виртуальной памяти, которым может пользоваться процесс;
– исполняемая программа и данные, проецируемые на виртуальное адресное пространство процесса.
Процессы инертны. Отвечают же за исполнение кода, содержащегося в адресном пространстве процесса, нити. Нить (thread) – некая сущность внутри процесса, получающая процессорное время для выполнения. В каждом процессе есть минимум одна нить. Эта первичная нить создается системой автоматически при создании процесса. Далее эта нить может породить другие нити, те в свою очередь новые и т.д. Таким образом, один процесс может владеть несколькими нитями, и тогда они одновременно исполняют код в адресном пространстве процесса. Каждая нить имеет:
– уникальный идентификатор нити;
– содержимое набора регистров процессора, отражающих состояние процессора;
– два стека, один из которых используется нитью при выполнении в режиме ядра, а другой – в пользовательском режиме;
– закрытую область памяти, называемую локальной памятью нити (thread local storage, TLS) и используемую подсистемами, run-time библиотеками и DLL.
Чтобы все нити работали, операционная система отводит каждой из них определенное процессорное время. Тем самым создается иллюзия одновременного выполнения нитей (разумеется, для многопроцессорных компьютеров возможен истинный параллелизм). В Windows реализована система вытесняющего планирования на основе приоритетов, в которой всегда выполняется нить с наибольшим приоритетом, готовая к выполнению. Выбранная для выполнения нить работает в течение некоторого периода, называемого квантом. Квант определяет, сколько времени будет выполняться нить, пока операционная система не прервет ее. По окончании кванта операционная система проверяет, готова ли к выполнению другая нить с таким же (или большим) уровнем приоритета. Если таких нитей не оказалось, текущей нити выделяется еще один квант. Однако нить может не полностью использовать свой квант. Как только другая нить с более высоким приоритетом готова к выполнению, текущая нить вытесняется, даже если ее квант еще не истек.
Квант не измеряется в каких бы то ни было единицах времени, а выражается целым числом. Для каждой нити хранится текущее значение ее кванта. Когда нити выделяется квант процессорного времени, это значит, что ее квант устанавливается в начальное значение. Оно зависит от операционной системы. Например, для Win2000 Professional начальное значение кванта равно 6, а для Win2000 Server – 36.
Всякий раз, когда возникает прерывание от таймера, из кванта нити вычитается 3, и так до тех пор, пока он не достигнет нуля. Частота срабатывания таймера зависит от аппаратной платформы. Например, для большинства однопроцессорных x86 систем он составляет 10 мс, а на большинстве многопроцессорных x86 систем – 15 мс.
В любом случае операционная система должна определить, какую нить выполнять следующей. Выбрав новую нить, операционная система переключает контекст. Эта операция заключается в сохранении параметров выполняемой нити (регистры процессора, указатели на стек ядра и пользовательский стек, указатель на адресное пространство, в котором выполняется нить и др.), и загрузке аналогичных параметров для другой нити, после чего начинается выполнение новой нити.
Планирование в Windows осуществляется на уровне нитей, а не процессов. Это кажется понятным, так как сами процессы не выполняются, а лишь предоставляют ресурсы и контекст для выполнения нитей. Поэтому при планировании нитей, система не обращает внимания на то, какому процессу они принадлежат. Например, если процесс А имеет 10 готовых к выполнению нитей, а процесс Б – две, и все 12 нитей имеют одинаковый приоритет, каждая из них получит 1/12 процессорного времени.
В Windows существует 32 уровня приоритета, от 0 до 31. Они группируются так: 31–16 – уровни реального времени; 15–1 – динамические уровни; 0 – системный уровень, зарезервированный для процесса обнуления страниц (zero-page thread).
Приоритет каждой нити (базовый приоритет нити) складывается из приоритета ее процесса и относительного приоритета самой нити. Есть семь относительных приоритетов нитей:
Normal: такой же как и у процесса;
Above normal: +1 к приоритету процесса;
Timecritical: устанавливает базовый приоритет потока для Realtime класса в 31,
для остальных классов – в 15;
Idle: устанавливает базовый приоритет потока для Realtime класса в 16,
для остальных классов – в 1.
Если операционная система выполняется на машине, где установлено более одного процессора, то по умолчанию, нить выполняется на любом доступном процессоре. Однако в некоторых случаях, набор процессоров, на которых нить может работать, может быть ограничен. Это явление называется привязкой к процессорам (processoraffinity). Можно изменить привязку к процессорам программно, через Win32‑функции планирования.
Волокна поддерживаются в WIN32 API, начиная с Windows2000. Под волокном понимается упрощенная нить, выполнение которой планируется самим приложением, а не планировщиком процессорного времени ОС. Планирование волокон может осуществляться только путем переключения на них только из других волокон. Волокна выполняются в контексте нитей, в которых планируется их применение, и допускают полную их идентификацию с нитями. В каждой нити может быть запланировано несколько волокон. Для каждого волокна создается собственный стек, в котором хранится информация о состоянии волокна.
2. Создание процессов
Создание Win32 процесса осуществляется вызовом одной из таких функций, как CreateProcess , CreateProcessAsUser (для WinNT/2000/Vista) и CreateProcessWithLogonW (начиная с Win2000) и происходит в несколько этапов:
– Открывается файл образа (EXE), который будет выполняться в процессе. Если исполняемый файл не является Win32 приложением, то ищется образ поддержки (support image) для запуска этой программы. Например, если исполняется файл с расширением.bat, запускается cmd.exe и т.п.
В WinNT/2000/Vista для отладки программ реализовано следующее. CreateProcess , найдя исполняемый Win32 файл, ищет в SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Option раздел с именем и расширением запускаемого файла, затем ищет в нем параметр Debugger, и если строка не пуста, запускает то, что в ней написано вместо данной программы.
– Создается объект Win32 «процесс».
– Создается первичная нить (стек, контекст и объект «нить»).
– Подсистема Win32 уведомляется о создании нового процесса и нити.
– Начинается выполнение первичной нити.
– В контексте нового процесса и потока инициализируется адресное пространство (например, загружаются требуемые DLL) и начинается выполнение программы.
3. Завершение процессов
Процесс завершается если:
– Входная функция первичной нити возвратила управление.
– Одна из нитей процесса вызвала функцию ExitProcess .
– Нить другого процесса вызвала функцию TerminateProcess .
Когда процесс завершается, все User- и GDI‑объекты, созданные процессом, уничтожаются, объекты ядра закрываются (если их не использует другой процесс), адресное пространство процесса уничтожается.
Пример: Программа создает процесс «Калькулятор».
int main (int argc, char* argv[])
if (! CreateProcess(NULL, «c:\\windows\\calc.exe», NULL, NULL, FALSE,
0, NULL, NULL, &si, &pi))
// Close process and thread handles.
4. Создание нитей
Первичная нить создается автоматически при создании процесса. Остальные нити создаются функциями CreateThread и CreateRemoteThread (только в WinNT/2000/XP/Vista).
5. Завершение нитей
Нить завершается если
– Функция нити возвращает управление.
– Нить самоуничтожается, вызвав ExitThread .
– Другая нить данного или стороннего процесса вызывает TerminateThread .
– Завершается процесс, содержащий данную нить.
6. Создание волокон
Волокно может быть создано с помощью системного вызова CreateFiber из основной нити процесса или получено путем преобразования текущей нити с помощью функции ConvertThreadToFiber . Переключение между волокнами может быть организовано с помощью функции SwitchToFiber , но ее вызов можно осуществлять только из волокна.
Пример: Программа создает 4 волокна, каждое из которых выполняет переключение на следующее волокно, если число переключений больше 10, работа завершается.
#define _WIN32_WINNT 0x0400
void WINAPI Func (void *)
printf («Fiber Number % d\n», Counter % 4);
int main (int argc, char* argv[])
If (CreateProcess (NULL, «c:\\windows\\calc.exe», NULL, NULL, FALSE,
NORMAL_PRIORITY_CLASS, NULL, NULL,&StartUpInfo,&ProcessInfo))
TerminateProcess (ProcessInfo.hProcess, 0);
Функция WaitForSingleObject() приостанавливает выполнение нити до тех пор, пока не произойдет одно из двух событий:
– истечет таймаут ожидания;
– ожидаемый объект перейдет в сигнальное (signaled) состояние.
По возвращаемому значению можно понять, какое из двух событий произошло. Ожидать с помощью wait‑функций можно большинство объектов ядра, например, объект «процесс» или «нить», чтобы определить, когда они завершат свою работу.
Функции WaitForMultipleObjects передается сразу массив объектов. Можно ожидать срабатывания сразу всех объектов или какого-то одного из них.
Пример. Программа создает две одинаковых нити и ожидает их завершения. Нити просто выводят текстовое сообщение, которое передано им при инициализации.
unsigned ThreadFunc (void * arg)
char ** str = (char**) arg;
MessageBox (0, str[0], str[1], 0);
int main (int argc, char* argv[])
char * InitStr1 [2] = <«First thread running!», «11111»>; // строка для первой нити
char * InitStr2 [2] = <«Second thread running!», «22222»>; // строка для второй нити
unsigned long uThreadIDs[2];
hThreads[0] = CreateThread (NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc,
hThreads[1] = CreateThread (NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc,
// Ждем, пока нити не завершат свою работу
WaitForMultipleObjects (2, hThreads, TRUE, INFINITE);
В е рассмотрены различные WIN API функции и последовательность действий для создания и работы с процесами, нитями и фолокнами при созданиии вминдоуз-приложений, их применение и особенности. Для получения полной информации о назначении, использовании и синтаксисе всех функций WIN32 API необходимо воспользоваться системой помощи MSSDK, входящей в состав сред программирования BorlandDelphi или CBuilder, а также MSDN, поставляемым в составе системы программирования VisualC.
1. Бэрри Нанс. Компьютерные сети пер. с англ. – М.: БИНОМ, 1996.
2. Глоссарий сетевых терминов http://www.bilim.com/koi8/library/glossary/
3. Компьютерные сети: Учебный курс Microsoft Corporation – М.: Издательский отдел «Русская редакция», 1999.
4. Основы современных компьютерных технологий под редакцией А.Д. Хомоненко – СПб КОРОНА принт, 1998.
5. Ресурсы Microsoft Windows NT Workstation 4.0 пер. сангл. яз. BNV – СПб, 1998.
6. Сетевые операционные системы Н.А. Олифер, В.Г. Олифер, 2001, СПб, Питер, 544 стр.
7. Синхронизация нитей внутри процесса в ОС Windows, http://subscribe.ru/ archive/comp.soft.win.swodniwgniqaf/200305/23131921.text
8. Современные операционные системы, Э. Таненбаум, 2002, СПб, Питер, 1040 стр.
9. Справочник Novell Netware 4 С.Б. Орлов, по заказу ИИЦ «Попурри», 1994.
10. Титтел Эд, Хадсон Курт, Дж. МайклСтюард Networking Essentials – СПбПИТЕР, 1999.
11. Титтел Эд, Хадсон Курт, Дж. Майкл Стюард TCP/IP – СПб ПИТЕР, 1999.
12. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга. – М.: Финансы и статистика, 1996.
Задание, процессы, потоки (нити), волокна; мультипрограммирование, формы многопрограммной работы
Одним из основных понятий, связанных с операционными системами, является процесс – абстрактное понятие, описывающее работу программы [10]. Все функционирующее на компьютере программное обеспечение, включая и операционную систему, можно представить набором процессов.
Задачей ОС является управление процессами и ресурсами компьютера или, точнее, организация рационального использования ресурсов в интересах наиболее эффективного выполнения процессов. Для решения этой задачи операционная система должна располагать информацией о текущем состоянии каждого процесса и ресурса.
Мультипрограммирование (многозадачность, multitasking) – это такой способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить для себя внутренние единицы работы, между которыми будут разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В ОС пакетной обработки, распространенных в компьютерах второго и сначала и третьего поколения, такой единицей работы было задание. В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы: более крупная единица – процесс, или задача, и менее крупная – поток, или нить. Причем процесс выполняется в форме одного или нескольких потоков.
Вместе с тем, в некоторых современных ОС вновь вернулись к такой единице работы, как задание (Job), например, в Windows. Задание в Windows представляет собой набор из одного или нескольких процессов, управляемых как единое целое. В частности, с каждым заданием ассоциированы квоты и лимиты ресурсов, хранящиеся в соответствующем объекте задания. Квоты включают такие пункты, как максимальное количество процессов (это не позволяет процессам задания создавать бесконтрольное количество дочерних процессов), суммарное время центрального процессора, доступное для каждого процесса в отдельности и для всех процессов вместе, а также максимальное количество используемой памяти для процесса и всего задания. Задания также могут ограничивать свои процессы в вопросах безопасности, например, получать или запрещать права администратора (даже при наличии правильного пароля).
Процессы рассматриваются операционной системой как заявки или контейнеры для всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Это важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться (порождаться) процессом динамически. В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие «процесс» до середины 80-х годов (например, в ранних версиях UNIX). В некоторых современных ОС такое положение сохранилось, т.е. понятие «поток» полностью поглощается понятием «процесс».
Как правило, поток работает в пользовательском режиме, но когда он обращается к системному вызову, то переключается в режим ядра. После завершения системного вызова поток продолжает выполняться в режиме пользователя. У каждого потока есть два стека, один используется в режиме ядра, другой – в режиме пользователя. Помимо состояния (текущие значения всех объектов потока) идентификатора и двух стеков, у каждого потока есть контекст (в котором сохраняются его регистры, когда он не работает), приватная область для его локальных переменных, а также может быть собственный маркер доступа (информация о защите). Когда поток завершает работу, он может прекратить свое существование. Процесс завершается, когда прекратит существование последний активный поток.
Переключение потоков в ОС занимает довольно много времени, так как для этого необходимы переключение в режим ядра, а затем возврат в режим пользователя. Достаточно велики затраты процессорного времени на планирование и диспетчеризацию потоков. Для предоставления сильно облегченного псевдопараллелизма в Windows 2000 (и последующих версиях) используются волокна (Fiber), подобные потокам, но планируемые в пространстве пользователя создавшей их программой. У каждого потока может быть несколько волокон, с той разницей, что когда волокно логически блокируется, оно помещается в очередь блокированных волокон, после чего для работы выбирается другое волокно в контексте того же потока. При этом ОС «не знает» о смене волокон, так как все тот же поток продолжает работу.
Таким образом, существует иерархия рабочих единиц операционной системы, которая применительно к Windows выглядит следующим образом.
Различают следующие виды многопрограммной работы: классическое мультипрограммирование, режим разделения времени, режим реального времени и целый ряд производных от них
Режим классического мультипрограммирования, или пакетной обработки, применительно к однопроцессорным ЭВМ является основой для построения всех других видов многопрограммной работы. Режим имеет целью обеспечить минимальное время обработки пакета заданий и максимально загрузить процессор.
Режим разделения времени является более развитой формой многопрограммной работы ЭВМ. В этом режиме, обычно совмещенном с фоновым режимом классического мультипрограммирования, отдельные наиболее приоритетные программы пользователей выделяются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы устанавливается круговое циклическое обслуживание, при котором каждая программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий интервал времени — время кванта.
Более сложной формой разделения времени является режим реального времени. Этот режим имеет специфические особенности:
• поток заявок от абонентов носит, как правило, случайный, непредсказуемый характер;
• потери поступающих на вход ЭВМ заявок и данных к ним не допускаются, поскольку их не всегда можно восстановить;
• время реакции ЭВМ на внешние воздействия, а также время выдачи результатов i-й задачи должны удовлетворять жестким ограничениям вида
